Мутагены, действующие на реплицирующуюся днк

Аналоги оснований - это соединения, имеющие сходную с нормальными азотистыми основаниями кольцевую структуру, отличающиеся от них по химическим свойствам. Некоторые из аналогов оснований, например аналог тимина 5-бромурацил (5-БУ) и аналог пурина 2-аминопурин (2-АП), - сильные мутагены. Механизм мутагенного действия аналогов оснований связан с их более выраженной по сравнению с нормальными основаниями способностью к таутомерным переходам: из нормальной кетоформы в редкую энольную форму (у пиримидинов) и из нормальной аминоформы в редкую иминоформу (у пуринов). Находясь в кетоформе, 5-БУ спаривается с аденином, а в энольной форме - с гуанином. Точно так же 2-АП в аминоформе, подобно аденину, спаривается с тимином, а в иминоформе - с цитозином.

Различают два механизма мутагенного действия аналогов оснований: ошибки включения и ошибки репликации. В случае ошибок включения 5-БУ в редкой энольной форме спаривается с гуанином в матричной цепи, а затем уже в ходе следующего цикла репликации, перейдя в обычную кетоформу, спаривается с аденином. В третьем цикле репликации аденин нормально спаривается с тимином и таким образом происходит транзиция ГЦАТ. Сходные рассуждения в отношении 2-АП показывают, что при его ошибочном включении появится транзиция того же типа.

В случае ошибок репликации 5-БУ, первоначально находящийся в кетоформе, как и тимин, нормально спаривается с аденином. При переходе в энольную форму 5-БУ уже в следующем периоде репликации соединится с гуанином. Последний в третьем цикле репликации спарится с цитозином, что обеспечит возникновение транзиции АТГЦ. Легко видеть, что такая же транзиция произойдет, если в результате ошибки репликации 2-АП заменит аденин и спарится с тимином. Таким образом, оба механизма возникновения мутаций под действием 5-БУ или 2-АП связаны с заменой пар оснований, происходящей через три цикла репликации. Различия между ними состоят в том, что ошибка включения проявляется сразу, а ошибки репликации возникают в любом из ее циклов, когда уже включившийся аналог перейдет в более редкую таутомерную форму. Фиксация этого предмутационного события происходит еще через два цикла репликации и ведет к возникновению стабильной мутации. Для того чтобы произошла ошибка включения, аналог основания должен присутствовать в среде, а ошибка репликации может произойти позднее, когда аналог будет удален из среды, например, с помощью отмывки от нее мутагенизируемых клеток.

Помимо описанного прямого действия аналоги оснований могут увеличивать чувствительность молекул к другим мутагенам (например, 5-БУ делает ДНК более чувствительной к УФ-лучам и ионизирующим излучениям).

Замечено, что замены нормальных оснований, индуцированные действием их аналогов, зависят от локализации первых в нуклеотидной цепи. Так, в rII области фага Т4 обнаружены “горячие точки”, в которых 2-АП и 5-БУ особенно часто вызывают замены оснований. Как уже отмечалось, частота, с которой аналог оснований вызывает ту или иную транзицию в данном сайте, зависит от соседних с ним оснований. На основе этого сделан вывод о том, что мутагенное действие аналога определяется не самим основанием, а его положением в нуклеотидной цепи.

Акридины. Акридиновые красители - акридин оранжевый, акрифлавин, профлавин, а также алкилированные акридины (ICR-170, ICR-191) обладают мощным мутагенным действием, индуцируя сдвиги рамки считывания (фреймшифт-мутации). Положительно заряженные молекулы акридинов, имеющих сходные с основаниями кольцевые структуры, но лишенные сахарофосфата, вставляются между “стопками” пар оснований в ДНК. Это приводит к нарушению конформации дуплета ДНК. Генетические исследования показали, что самой такой вставки акридинов недостаточно для возникновения мутаций: в этом процессе участвует рекомбинация или репарация ДНК. Предложена модель, объясняющая возникновение мутаций сдвига рамки под действием акридинов вставками или выпадениями оснований в результате формирования одноцепочечных петель ДНК в участках, содержащих повторяющиеся пары оснований. Возникновение петли вследствие внедрения акридинов в места с такими повторами приводит к удлинению или укорочению образующейся в ходе репликации цепи ДНК на одну пару оснований. Мутанты, не способные ревертировать под действием соединений, индуцирующих замены оснований, но ревертирующие под действием акридина, классифицируют как мутанты со сдвигом рамки считывания. Использование акридинов способствовало установлению триплетной природы генетического кода.

К мутагенам также, помимо уже рассмотренных 5-БУ и 2-АП, относятся азотистая кислота, гидроксиламин, этилметансульфонат, N-метил-N-нитро-N-нитрозогуанидин, метилметансульфонат, акридины, УФ-лучи, а также рентгеновские лучи.

Кроме того, в качестве мутагенов используют и другие химические соединения, отличающиеся друг от друга по механизму действия. Например, известны мутагены, имитирующие действие УФ-лучей. К ним относится 4-нитрохинолин-1-оксид, эффективно реагирующий с ДНК лишь после активации клеточными ферментами. Мутагенное действие формальдегида, взаимодействующего как с нуклеотидами в ДНК, так и с нуклеопротеином, обусловлено образованием сшивок между ДНК и белком. Соединения, относящиеся к группе фотосенсибилизирующих мутагенов, образуют ковалентные связи с ДНК только при возбуждении их светом с длиной волны 340-360 нм. Пример таких соединений - псорален, индуцирующий межнитевые сшивки ДНК и тем тормозящий ее репликацию.

К мутагенным факторам относятся и многие вирусы человека, животных и растений, а также некоторые бактериофаги. Показано, например, что вирус SV40 вызывает в культуре клеток человека и обезьян генные мутации и хромосомные перестройки. Предполагается, что мутагенность вирусов обусловлена их ДНК. Работами С.М. Гершензона и других авторов установлено, что введение в организм дрозофилы препаратов ДНК, выделенных из тканей млекопитающих, птиц, рыб, насекомых, а также из вирусов, вызывает большое число генных мутаций и микроделеций, тогда как крупные перестройки полностью отсутствуют. Еще одна особенность мутагенного действия ДНК состоит в том, что частота мутаций в некоторых генах увеличивается в 100-1000 раз, другие же гены либо вовсе не мутируют под действием экзогенной ДНК, либо мутируют слабо. Это означает, что в отличие от всех рассмотренных мутагенов, мутагенный эффект ДНК избирателен в отношении определенных генов, т.е. имеет черты направленного мутагенеза. Наконец, третья особенность мутагенного действия препаратов ДНК - его выраженная продленность, поскольку мутации индуцируются не только в F₁ мух, получавших ДНК с кормом, но и во многих последующих поколениях. Мутагенность чужеродной ДНК показана и на других объектах - кукурузе, микроорганизмах. Механизм этого эффекта препаратов ДНК не установлен, но предполагается, что фрагменты экзогенной ДНК могут проникнуть в половые клетки и включиться в их хромосомы.